[发明专利]Nb‑Si‑Ti‑Hf‑ZrC复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种Nb-Si-Ti-Hf-ZrC复合材料及其制备方法。

背景技术

随着航空航天技术的发展，各种新型飞行器飞行距离和飞行速度的提高，要求发动机具有更高的推重比及工作效率，人们对轻质、高强和抗氧化的高温结构材料提出了越来越高的要求。而现有发动机所用的镍基高温合金由于受其自身熔点的限制，使用温度上限仅为1100℃。因此，研制替代镍基超合金的超高温材料势在必行。铌(Nb)是难熔金属中密度最小元素，铌合金与其它难熔金属相比有高的比强度、优异的室温塑性，良好的加工性能和焊接性能，能作为高温结构材料。但铌合金在高温氧化气氛中灾难性的氧化行为严重研制了其在工程上的应用。Nb₅Si₃金属间化合物，具有优异的机械和物理性能，譬如：高熔点(2783K)，低密度、高硬度、良好的高温强度。因此，Nb₅Si₃金属间化合物在超高温结构材料上有着潜在的应用前景。但是，Nb₅Si₃具有低的室温断裂韧性，阻碍了它作为高温结构材料的应用。Nb具有高熔点(2468℃)和良好的室温塑性及韧性，热膨胀系数与铌硅化合物相近。铌和Nb₅Si₃在较大的温度范围和较宽的成份范围内能稳定共存，两相之间具有良好的界面相容性和热力学稳定性。另外，Nb-Si复合材料有宽的Nb₅Si₃和Nbss(铌固溶体)两相区，可通过共晶和共析反应产生微观组织变化制备复合材料。因此，由韧性较好的铌和铌硅化合物组成的Nb-Si复合材料被认为是最有开发应用前景的超高温结构材料之一。然而，Nb-Si复合材料在高温氧化气氛中迅速氧化失重，使Nb-Si复合材料难以在工程上得到应用。添加Ti、V、Hf、Zr、Cr、Mn、Si和Be等元素可减小氧在铌中的扩散率，从而改善Nb-Si复合材料的抗氧化性能。合金化的方法虽对Nb-Si复合材料的抗氧化性能有所改善，但合金化元素的加入量必须超过一个临界值才能对基体起到保护作用，这将恶化材料的其他性能，特别是造成基体高温机械性能的下降。因此，通过单一的合金化方法无法获得韧性好、熔点高、高温强度高和抗氧化的Nb-Si复合材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种Nb-Si-Ti-Hf-ZrC复合材料，该Nb-Si-Ti-Hf-ZrC复合材料在室温条件下的抗拉强度为627MPa～785MPa，断裂韧性为11MPa·m^1/2～18MPa·m^1/2，1300℃抗拉强度为315MPa～426MPa，在1300℃空气环境中氧化100h后材料损失仅为0.037mg/cm²～0.015mg/cm²，具有高强度、高韧性和高温抗氧化的特点，能够应用于1300℃的空气环境中。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种Nb-Si-Ti-Hf-ZrC复合材料，其特征在于，由以下摩尔百分比的成分组成：Si 3％～11％，Ti 4％～12％，Hf 3％～7％，ZrC 3％～7％，余量为Nb和不可避免的杂质。

上述的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC复合材料，其特征在于，由以下摩尔百分比的成分组成：Si 4％～10％，Ti 6％～10％，Hf 4％～6％，ZrC 4％～6％，余量为Nb和不可避免的杂质。

上述的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC复合材料，其特征在于，由以下摩尔百分比的成分组成：Si 7％，Ti 8％，Hf 5％，ZrC 5％，余量为Nb和不可避免的杂质。

另外，本发明还提供了一种制备上述Nb-Si-Ti-Hf-ZrC复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉置于球磨机中球磨混合均匀，然后在真空条件下烘干，粉碎后得到混合粉料；

步骤二、将步骤一中所述混合粉料置于热压烧结炉中，在真空度不大于1.2×10^-2Pa，温度为1700℃～1800℃，压力为30MPa～50MPa的条件下热压烧结1h～2h，随炉冷却后得到Nb-Si-Ti-Hf-ZrC复合材料。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述Si粉、Ti粉和ZrC粉的质量纯度均不小于99％，所述Hf粉的质量纯度不小于98％，所述Nb粉的质量纯度不小于99.9％。